艦用防疫消殺機的研制

王猛，郝蕙玲，張建，呂鴻雁，周宏平，茹煜

艦船環境相對封閉，內部空間管道、孔洞、縫隙 較多，加上海上空氣濕度大，容易造成病源微生物及媒介昆蟲的滋生繁殖，艦艇有害生物作為致病源或傳播媒介嚴重威脅艦員健康；一些媒介昆蟲如蟑螂等還可能進入儀器設備引發故障，影響艦艇作業安全［1-3］。艦艇衛生防疫作為有效維持艦艇衛生安全的必要手段，意義重大、責任艱巨［4-5］。

使用消毒劑、殺蟲劑對環境進行防疫消殺作業一直是艦艇衛生防疫最為重要的手段之一［6］，噴霧器械的性能是決定滅殺效果的關鍵因素。

艦艇上配備的精密儀器設備較多，獨立空間狹小。目前市場上防疫消殺器械性能單一，不能較好地滿足艦船防疫設備小型化、多功能的特殊要求。現有后勤通用防疫設備中，車載噴霧機、擔架式噴霧機、機動噴霧機、煙霧機等器材動力模式與艦艇使用環境不匹配，手動式噴霧器、手持式噴霧器等噴霧性能、作業功效因霧滴粗放、射程受限等也不適合艦艇環境使用。因此，需要根據艦艇防疫需求及其作業特點研制艦艇環境專用的防疫消殺機。

課題組研制的艦用防疫消殺機，技術創新點是內置電機轉速恒定，通過控制氣液流量配比的技術方式，實現霧化霧滴粒徑5～100 μm 連續可調，一臺機器同時具備空間氣霧噴灑（粒徑不大于50 μm）和表面滯留噴灑（粒徑50～100 μm）功能，解決艦艇防疫器材一機多能的勤務需求。

1 艦用防疫消殺機總體方案設計

1.1 勤務功能和環境適用性需求艦船內部存儲空間有限，不能配備型號、數量過多的防疫器材。根據艦艇環境常見有害生物的生物學特性，艦用防疫消殺機應同時滿足表面滯留噴灑和空間噴灑2 種作業功能需求，表面滯留噴灑主要用于殺滅物體表面的微生物及蟑螂等爬行類害蟲，霧滴粒徑范圍應覆蓋50～100 μm 區間；空間噴灑主要用于殺滅空氣微生物及蚊蟲等飛行類害蟲，霧滴粒徑應控制在50 μm 以內。

外形尺寸方面，艦船防疫消殺機的重量應適合單人攜帶，參考GB 12330?90《體力搬運重量限值》［7］，裝藥后機器重量不宜大于15 kg。艦上電源獲取較為便利，防疫消殺機宜采用電力作為驅動源，從艙室插座上取電。艦船衛生防疫作業人員更替較為頻繁，器材應操作簡便、維護簡單。

1.2 霧化方式的篩選目前衛生防疫系統所使用的消殺器械主要為各種類型的噴霧器，按藥液的噴灑霧化原理可分為機械式霧化、氣力霧化和熱力霧化3 類。機械式霧化是最常見的一種霧化方式［8］，其關鍵核心部件是液力霧化噴頭或離心霧化噴頭。液力霧化需要提供產生較高壓力的增壓系統，系統較為復雜，此類霧化方式的流量調節范圍較小，霧滴粒徑通常可控制在200 μm 左右；離心霧化［9-10］是通過執行電機帶動霧化轉盤或者轉籠，使藥液在轉盤/轉籠的離心作用下形成細小霧滴，此類原理的噴頭加工工藝要求較高，霧滴粒徑主要取決于電機轉速、液體壓力、轉盤直徑等因素，通常可控制在50～100 μm，其霧化效果優于液力霧化，缺點是流量較小、有效射程較短，應用范圍有限。氣力霧化是依靠風機產生一定壓力的高速氣流，使氣流沖擊液體產生霧滴，達到霧化的目的［11-12］，此類裝置霧滴的粒徑與氣流流速、噴液壓力有關，一般可將霧滴粒徑控制在50～100 μm，甚至50 μm 以下，目前國內外的超低量霧化器、氣溶膠霧化器大多采用該霧化原理。熱力霧化是利用高溫將煙霧裂解成細小顆粒，粒徑大小一般小于30 μm，由于粒徑較小，適合消滅飛行類害蟲。但高溫會使藥液產生化學分解，可供選擇的農藥類型很少。

考慮艦艇環境特點，比較各種霧化技術特點，氣力霧化方式是較為合理的選擇。

2 系統結構設計研究

根據前文確定的總體方案論證結果，課題組設計的艦用防疫消殺機，系統功能組成可分為電源、送風單元、供液單元、控制單元和霧化單元，具體結構包括機殼、藥液箱、噴嘴芯、兩級固定葉輪、串激電機、旋轉電機、繞線裝置、旋轉卡環、噴霧接頭、控制按鈕、背帶等零部件。配套有噴霧軟管、水平直噴頭和30°噴頭3 種噴霧接頭，各噴頭能通過自身卡扣與機身上配套設計的旋轉卡環快速安裝。連接噴霧軟管狀態的艦用防疫消殺機內部結構圖見圖1。連接水平直噴頭和30°噴頭的剖面視圖見圖2。

圖1 艦用防疫消殺機內部結構示意圖

圖2 艦用防疫消殺機不同工作狀態

噴霧作業時，串激電機產生高速氣流，一部分氣流產生虹吸作用從藥箱中抽取藥液形成液流，另一部分氣體高速沖擊液流，實現霧化效果。該系統電機轉速恒定，通過調節液體供應量來控制霧滴粒徑，滿足不同防疫作業需求。

2.1 電源該艦用防疫消殺機電源制式為220 V，50 Hz，為匹配艦船艙室條件，采用船用電源插頭取電。供電電源線采用可伸縮設計，通過布置在殼體內部的回彈式自動收線裝置實現自動收放。

2.2 送風單元該艦用防疫消殺機采用氣力霧化原理，送風單元由動力電機和電機罩殼共同組成。動力電機是帶葉輪的串激電機，其主要作用是為氣力霧化提供足夠的風量和風壓。根據市場調研和初步試驗分析，當電機以20 000～30 000 r/min 的轉速運轉時，其前端會產生30～50 m/s 的高壓氣流，能夠達到霧滴平均粒徑5～30 μm 的霧化效果，此時噴霧水平射程為8 m，能夠較好地滿足大空間艙室防疫噴灑作業需求。

電機罩殼是形成氣流的關鍵功能件，內部布置有串激電機、電機擋板、電源線及藥管等；其前端設計為錐形結構，主要作用是減少氣流損失、增加氣流速度，達到提升霧化效果的目的。

2.3 供液單元供液單元由藥箱、供液管和液體流量調節器組成。藥箱設計成與機殼一體式結構，供液管的末端設置在藥箱底部，藥液經供液管、液體流量調節器輸送至霧化單元。

藥箱容積大小會直接影響防疫消殺機的外形尺寸和重量，艦上水源獲取較為便利，按最大流量工況、一次裝藥可持續噴霧10 min 計算，并考慮一定的冗余量，藥箱容積6～8 L 較為適宜，故設計為8 L。本套器材裝藥前重量為6.4 kg，裝滿藥液時重量為14.4 kg，低于GB 12330?90《體力搬運重量限值》［7］中關于男性單人搬運重量、全日搬運重量和相應步行距離乘積的限值要求。

送風單元產生的風壓恒定，為滿足霧滴粒徑5～100 μm 可調的勤務需求，可通過液體流量調節器調節液體流量大小。流量越小，可達到的霧滴直徑越小，流量越大，霧滴直徑越大。

課題組設計的艦用防疫消殺機，主要通過控制氣流、液流配比來實現不同噴霧粒徑。當一定壓力的液流通過霧化單元上呈窄縫形狀的噴嘴時，形成特定厚度的液膜，液膜在高速垂向氣流的沖擊作用下破碎成小液滴從噴孔噴出，離開噴孔后在周圍空氣的高速摩擦作用下，二次破碎成更小的液體顆粒。Lefebvre［13］對預成膜氣動式霧化過程進行能量衡算，得到霧滴平均直徑（又稱索太爾平均直徑）計算式如下所示：

式中dsmd為索太爾平均直徑（μm）；ρ1為液體密度（kg/m3）；t為液膜厚度（mm）；k為氣耗率（%），k=M1/M2；M1,M2為氣體、液體質量流量（kg/s）；σ為液體表面張力（N/m）；u為氣液相對速度（m/s）；C為氣體射流動能利用率（%）。

根據公式推導出氣耗率，即氣液質量流量之比如下所示：

以水作為介質來計算，水的密度ρ1=1.0 kg/m3，水在室溫25 ℃時的表面張力值σ=7.21×10-2N/m，液膜厚度與粒徑相關，t=1.7 μm、氣液相對速度越大，霧滴粒徑越小，設u=28 m/s、氣體射流動能利用率C＝80%，根據設計要求彌霧平均粒徑50～100 μm；氣霧平均粒徑5～30 μm。

將上述參數帶入式（2）可得質量流量之比k=20%～40%。

氣耗率參數為氣液比的調節提供了設計依據。影響氣液比的參數除了液流量外，還包括噴頭結構、二級旋風結構參數，通過設計調整合適的氣力霧化噴頭結構尺寸參數、調節合適的氣液流量和壓力，可以獲得不同的氣液比和不同的霧滴粒徑。

2.4 霧化單元霧化單元是該艦用型防疫消殺機的關鍵部件。課題組設計的霧化單元包括噴頭蓋板、兩級固定葉輪、噴嘴芯及支座，三維模型見圖3。兩級固定葉輪為反向葉輪結構，功能是利用風道調整風向并提升噴頭位置處的風速，起到提高藥液霧化效果的作用。噴嘴芯通過螺紋固定安裝在支座上，并與供液管相連，來自藥箱的液體通過負壓作用被輸送至噴嘴芯處，串激電機葉輪產生的高速氣流經過前端的噴嘴體將霧滴細化。

圖3 兩級反向葉輪結構圖

噴嘴芯的長度、支座直徑是影響霧化效果的主要因素。經過多次試驗對比和迭代設計，選用噴嘴芯長度為24 mm，支座直徑為16 mm 的兩級固定葉輪，能夠較好地滿足5～30 μm 細霧滴要求。

2.5 控制單元控制單元包括電源開關、定時開關、噴頭旋轉開關、流量調節開關和控制面板，其中控制面板見圖4。定時開關主要用于實現在密閉空間內無人值守噴霧，以降低藥液對作業人員的危害，啟動定時開關后30 s 開始按設定時間自動噴霧，配合使用30°噴頭，可實現360°旋轉噴霧。流量調節開關上刻有氣霧、彌霧區間指示，分別用于空間彌散噴灑和表面滯留噴灑。

圖4 操作控制面板

3 樣機霧化效果試驗

最小霧滴粒徑作為噴霧器械最為重要的性能，是影響滅殺效果的關鍵因素之一，也是防疫消殺器材開發最為關鍵的核心技術，通過搭建霧化單元原理樣機，試驗驗證設計方案的合理性。

3.1 霧化單元原理樣機試驗課題組搭建了霧化單元簡化原理樣機，噴嘴直徑2 mm，電機額定輸入功率900 W，最大風量3.5 m/min，最大轉速32 000 r/min，藥箱用容量2 L、最小刻度1 ml 的量筒替代。見圖5。用清水作為替代藥液，進行了霧化效果試驗。采用激光粒子計數器進行霧滴粒徑測試，得到的霧滴粒徑分布圖見圖6。

圖5 防疫消殺機原理樣機

圖6 原理樣機霧滴粒徑分布圖

經過對30 min 噴霧過程的霧滴粒徑進行統計分析，原理樣機試驗結果表明，該原理樣機霧滴粒徑 均 值 為25.636 μm，其 中，50% 的 粒 徑 小 于18.149 μm，90%的粒徑小于44.633 μm，其面積平均直徑D［3，2］為17.318 μm，體積平均粒徑D［4，3］為25.636 μm。

3.2 科研樣機試驗按照前文所述的艦用防疫消殺機系統結構設計方案，加工定制的科研樣機見圖7。主 機 外 形 尺 寸330 mm×330 mm×420 mm，重 量6.4 kg，噴霧軟管長度600 mm，裝滿藥液后總重量約14.8 kg。

圖7 艦用防疫消殺機科研樣機

按照JB/T 10752?2007《電動氣力超低容量噴霧器》［14］的相關規定，在國家植保機械質量監督檢驗中心對2 臺科研樣機進行了霧滴性能檢驗，試驗介質為清水，試驗儀器包括激光粒譜儀、電子計量秤、電子秒表等。試驗結果見表1。

表1 科研樣機噴霧性能試驗結果

試驗數據表明，按照該方案研制的艦用防疫消殺機能夠滿足空間處理效率不小于80 m3/min；表面處理效率不小于10 m2/min；滿足彌霧平均粒徑50～100 μm、氣霧平均粒徑5～30 μm 的工作效率要求。

基于對艦用防疫消殺機勤務功能、霧化方式的論證結果，設計了能夠滿足艦船防疫消殺作業需求的艦用防疫消殺機；該樣機整機結構形式緊湊，能夠滿足艦艇內部操作的便攜式、多功能、小型化要求；原理樣機和科研樣機試驗結果均表明，樣機噴霧功能能夠滿足空間噴灑、表面滯留噴灑2 種防疫作業需求，霧滴粒徑能滿足5～100 μm 可調的需求，較好地滿足了艦船防疫作業需求。